第一章 認識基本硬體

在進入Arduino實作之前，必需先了解一些電學的知識，電學建構於電壓、電流和電阻三個物理量之上，歐姆公式說明了這三個物理量的互相關係，學習之前一定要先了解這三個物理量，本章後面會再做Arduino簡介，有了這些概念，對之後的章節會更容易理解。

1-1 電壓(V)、電流(I)、電阻(R)

電壓：

電路兩點之間的電位差(欲知電路某點電位則表示該點與接地GND之間的電位差，GND為整體電路的參考電位視為0V)，電壓概念與水位高低所造成的「水壓」相似，電路中的電源提供了電位差，電壓單位為伏特(V)。

參考資料：維基百科_電壓

電流：

正電荷在導線中流動的方向，由高電位流向低電位，亦即由電池的正極經負載後再流回電池的負極，電流概念與水位高低所造成的「水流」相似，電流單位為安培(A)。

參考資料：電流與電子流

電阻：

導體上的電位差會促使電子流動，但常溫下的導體都具有電阻特性，電阻會阻礙電子的流動，電阻概念與水管(導體)內的「阻塞物」相似，電阻單位為歐姆(Ω )。

參考資料：電阻的基本概念

歐姆公式(三者關係)：

電壓(V) = 電流(I) * 電阻 (R) (電壓和電流成正比，電壓和電阻成正比，電流和電阻成反比)

(參考下圖，圖片參考自https://www.diyelectronic.in/)

1-2 Arduino簡介

任何人，即使不懂電腦編程，也能用 Arduino 做出千變萬化的專案，比如對感測器作出回應，閃爍燈光，還能控制馬達。

Arduino UNO

Arduino控制主板(Arduino UNO)可視為是一台簡易型的電腦，我們可以寫程式到Arduino主板，使其讀取外部感測器的信號，經過我們自己寫的程式處理後，再決定要讓馬達運轉或LED亮燈等動作。

主板能外接感測器或控制元件的腳位如下：

類比輸入：A0 ~ A5 (共6個腳位)

數位輸入/輸出：D0 ~D13 (共14個腳位)

參考資料：認識Arduino (PDF) Arduino UNO(Youtube)

Arduino擴展板

Arduino UNO主板能外接元件的腳位有20個，每個外部元件都需要給電源才能回傳感測信號或控制該元件，但主板只有一個5V的腳位，因此，主板上方需要插入一片擴充板(如下圖所示)，此擴充板除了將輸入/輸出腳引出(白色排針)外，另外增加了許多組的電源腳位，方便接到外部元件上，每組電源就像是提供元件一顆5V電池，電池有正級和負級，電源的正級是擴充板上紅色排針VCC(V)，負級是黑色排針GND(G)。

1-3 輸入/輸出腳

Arduino控制主板能寫程式控制的腳位分成兩類型：類比輸入、數位輸入/輸出。

類比信號：

類比信號是指一組隨時間改變而且是連續性的資料，例如：光線、聲音、溫度等。Arduino主板偵測類比信號的腳位是A0 ~ A5(只能做為輸入腳位)，為了方便處理連續性的信號，類比感測器模組會把這些連續性的信號依偵測的強度轉成電位差(0 ~ +5V)再傳送給主板，主板會把輸入的電壓轉成數字(0 ~ 1023)提供給程式處理，使用此類必輸入腳位在程式中不需先宣告。

數位信號：

數位信號是指一組隨時間改變而且是不連續性(離散)的資料，在Arduino主板上的數位信號只有Low ( 0V )和High ( +5V )二種，可以用0 和1 來代表。Arduino主板的數位信號腳位是D0 ~ D13，這些腳位都能單獨指定做為輸入腳或輸出腳(只能擇一)，其中D13已預接一顆LED做為測試使用，D0、D1為與電腦做串列通訊使用，一般如需跟電腦連線通訊應避免再使用此兩腳位，使用此數位腳位(D0 ~ D13)在程式中需先宣告為輸入或輸出。

PWM信號：

主板上的類比信號腳位只能做輸入使用，無法指定為輸出，而數位腳位雖然能做輸出，但只能輸出0 (0V) 或1 (+5V)，如果要控制馬達轉速快慢或是調整LED亮度，此時，就需要有類比輸出，主板上的數位腳位中D3、D5、D6、D9、D10、D11，可指定為PWM(脈衝寬度調變)腳位做為模擬類比輸出，當數位腳位指定為PWM腳位時，可寫到腳位的資料不再是Low和High了，而是數字0 ~ 255，可分別輸出對應於0V ~ +5V的電壓給外部元件模組，使用此PWM腳位在程式中需先宣告為PWM輸出。。

參考資料：數位與類比訊號 (Youtube) 、 脈衝寬度調變 (PWM)